CN105951615B - 一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于公路小桥涵设计技术领域，尤其是一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法。一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法，包括以下步骤：由目前已经的设计方法计算小桥涵设计洪水频率的设计流量QP、确定小桥涵的参数、计算河沟的一般冲刷深度hp、选取小桥涵出口铺砌所需要的片石粒径大小、计算涵洞出水口处的水头高度Hc、计算小桥涵出水口铺砌所需的片石铺砌长度L、计算片石铺砌末端冲刷坑深度Δ和采取相应的构造措施。本发明采用的片石铺砌施工时只需将片石按顺序直接放置于出水口河床上，无需浆砌和堆叠。施工工艺简单，易于推广。本发明技术采用合理的片石铺砌计算方法，能够使出水口铺砌防护有效满足小桥涵抗水毁性能。

Description

一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法
技术领域
本发明属于公路小桥涵设计技术领域，尤其是一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法。
背景技术
公路小桥涵是公路跨越沟渠时，为渲泄沟渠水流而设置的横穿公路的小型排水构造物。由于公路修建后造成水流汇集至小桥涵处通过，小桥涵处的水深和水流速度均比自然情况下增大。在小桥涵出水口处，水流流经涵洞出口后突然扩散，失去了涵洞侧壁的约束，水面会出现明显下降，重力势能转变为动能，水流速度明显加快，会对天然沟渠的河床进行冲刷破坏。一般采用在小桥涵出水口进行片石铺砌的方法来对涵洞进行防护。但当洪水来临时，部分小桥涵会由于出口河床处铺砌防护被冲毁而造成涵洞基础被掏空外露，严重影响了路基的稳定，随着公路建设里程的不断增长以及厄尔尼诺现象的频发，公路小桥涵被洪水冲毁造成交通中断的现象越来越多，每年造成数亿元的经济损失。
现有的公路小桥涵出水口防护方法分为公式推理法和经验法。公式推理法根据小桥涵设计流量Qp、河床土壤类别与小桥涵设计水流状态(自由出流或淹没出流)系数k和n，根据公式l＝kqn确定出水口河床的铺砌长度L。或者按小桥涵高度h的1.6倍确定铺砌长度L；铺砌的厚度δ一般采用20-35cm；在铺砌末端设置垂直截水墙，截水墙的厚度为δ，截水墙的埋置深度t按1.34倍的冲刷深度Δ设置。水流冲刷深度Δ包括水流冲刷深度、水跃冲刷深度和偏斜冲刷深度，可根据水流速度v、下游正常水深h0等值计算而得。该方法有两个缺点：(1)该计算方法铺砌长度L和截水墙的深度t计算公式较为复杂，难以掌握；(2)按照该方法，计算一座高h＝2m，宽W＝2m，设计流量为Q＝17.5m3/s的涵洞，其出水口铺砌长度L＝15m，截水墙的深度t＝3m。其计算所得的截水墙深度太大会导致施工困难，出水口铺砌工程量较大，显然不经济。现有公式推理方法的缺点造成了该方法难以推广应用。
而实际应用中多采用经验法。在出水口沟渠河床铺砌一定长度(涵洞为1.6倍涵洞高，小桥为桥梁锥坡范围内)的厚40cm的浆砌片石，在铺砌末端设置埋置深度t＝1.2m的垂直截水墙。该方法虽然设计施工较为简单，但只是经验的简单总结，缺乏理论基础，没有按照小桥涵的实际情况进行出水口防护设计，误差较大。当洪水来临时，极易出现公路小桥涵及其两侧路基被冲毁，造成交通中断。
因此，如何合理的根据小桥涵所处位置的实际情况选择小桥涵出水口防护方法，进而提高小桥涵的抗水毁性能，对于确保公路交通安全具有重要意义。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据公路小桥涵工程所处地理位置和项目等级，由目前已经的设计方法计算小桥涵设计洪水频率的设计流量QP、确定小桥涵的高h、小桥涵宽W、涵洞临界水深hk、洞身临界流速vk、洞身临界坡度ik参数；
步骤二：根据小桥涵跨越的河沟河床土壤类型，按照公式(1)和(2)计算河沟的一般冲刷深度hp；
非粘性土河床一般冲刷深度hp：
其中：QP为小桥涵设计洪水频率的设计流量；ε为小桥涵收缩收缩系数,当小桥涵为锥坡填土时取值0.9，当小桥涵有八字翼墙时取值0.85；w为小桥涵的宽度；hmax为小桥涵下河沟水流的最大深度，一般取桥涵高度h；为小桥涵下河沟设计流量时的平均水深。VH可查阅非粘性土壤水深为1m时的容许不冲刷流速表；
粘性土河床一般冲刷深度hp：
其中：IL为粘性土的液限指数；其余均与公式(1)的参数意义相同；
步骤三：根据计算所得的河床一般冲刷深度hp，选取小桥涵出口铺砌所需要的片石粒径大小(片石粒径d>1.5hp)；
步骤四：根据公式(3)计算涵洞出水口处的水头高度Hc：
其中：g为重力加速度值；其余参数意义与前面相同；
步骤五：计算小桥涵出水口铺砌所需的片石铺砌长度L；
由于河沟一般为宽浅式，其水力半径R可近似按小桥涵下河沟设计流量时的平均水深则谢才系数C可以按公式(4)计算：
其中：n为片石的粗糙系数,一般可以取值0.03-0.05；为小桥涵下河沟设计流量时的平均水深；
假定水流从涵洞出口至片石铺砌末端水头高度减少25％,则根据公式(5)可计算出片石铺砌所需要的长度L：
其中：A为片石铺砌处河沟的过水面积；其余参数意义与前面相同；
步骤六：计算片石铺砌末端冲刷坑深度Δ；
片石铺砌冲刷坑深度Δ包括水流冲刷深度Δ1、水跃冲刷深度Δ2和偏斜冲刷深度Δ3，其计算过程分别如公式(6)、公式(7)、公式(10)；
水流冲刷深度Δ1：
其中：B为片石铺砌处河沟平均宽度；v’为河床土壤的容许不冲刷流速，查阅相关表格可得；其余参数意义与前面相同；
水跃冲刷深度Δ2：
其中：KP为系数，与小桥涵八字墙扩散角度有关，查阅相关表格可得；C为出水口铺砌加固长度系数，铺砌越长，其系数越小，查阅相关表格可得；
σ为折冲系数，一般取1.35；h”为铺砌末端的跃后水深，V1为铺砌末端的水流速度，其余参数意义与前面相同；
偏斜冲刷深度Δ3：
其中：m为边坡系数；d为土壤粒径(m)；α为水流流向与河岸的交角，其余参数意义与前面相同；
则片石铺砌末端冲刷坑深度Δ可以由公式(11)计算可得：
Δ＝Δ1+Δ2+Δ3 公式(11)
步骤七：采取相应的构造措施。根据所铺砌片石的粒径大小，选择与之相匹配的粒径较小片石，填塞片石间空隙，提高片石之间的嵌挤力，以减小水流对片石和沟底土壤的冲刷。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.原有推理公式法由于采用浆砌片石+截水墙铺砌方案对小桥涵出水口进行防护，计算出的铺砌长度工程量过大，所需截水墙的设置深度过大，工程造价较高，截水墙的施工难度大。本发明采用片石铺砌替代现有技术，所计算出来的片石铺砌长度明显短于传统推理公式法计算的浆砌片石铺砌长度，且不再需要设置截水墙即可有效减小铺砌末端的水流冲刷深度。铺砌长度和面积显著减小，在满足公路小桥涵抗水毁性能的同时有效降低了工程造价。
2.本发明采用的片石铺砌施工时只需将片石按顺序直接放置于出水口河床上，无需浆砌和堆叠。施工工艺简单，易于推广。
3.原有经验法采用的铺砌长度和截水墙设置深度规定无理论基础。随着公路建设的越来越多，由于经验法未针对不同小桥涵采用不同的出水口防护方法，造成小桥涵的出水口防护设计不合理，部分出水口防护工程量过大，造成工程浪费；部分小桥涵出水口防护设施不足，导致在暴雨时小桥涵水毁现象严重。而本发明技术采用合理的片石铺砌计算方法，能够使出水口铺砌防护有效满足小桥涵抗水毁性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例1：
一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据公路小桥涵工程所处地理位置和项目等级，由目前已经的设计方法计算小桥涵设计洪水频率的设计流量QP、确定小桥涵的高h、小桥涵宽W、涵洞临界水深hk、洞身临界流速vk、洞身临界坡度ik参数；
步骤二：根据小桥涵跨越的河沟河床土壤类型，按照公式(1)和(2)计算河沟的一般冲刷深度hp；
非粘性土河床一般冲刷深度hp：
其中：QP为小桥涵设计洪水频率的设计流量；ε为小桥涵收缩收缩系数,当小桥涵为锥坡填土时取值0.9，当小桥涵有八字翼墙时取值0.85；w为小桥涵的宽度；hmax为小桥涵下河沟水流的最大深度，一般取桥涵高度h；为小桥涵下河沟设计流量时的平均水深。VH可查阅非粘性土壤水深为1m时的容许不冲刷流速表；
粘性土河床一般冲刷深度hp：
其中：IL为粘性土的液限指数；其余均与公式(1)的参数意义相同；
步骤三：根据计算所得的河床一般冲刷深度hp，选取小桥涵出口铺砌所需要的片石粒径大小(片石粒径d>1.5hp)；
步骤四：根据公式(3)计算涵洞出水口处的水头高度Hc：
其中：g为重力加速度值；其余参数意义与前面相同；
步骤五：计算小桥涵出水口铺砌所需的片石铺砌长度L；
由于河沟一般为宽浅式，其水力半径R可近似按小桥涵下河沟设计流量时的平均水深则谢才系数C可以按公式(4)计算：
其中：n为片石的粗糙系数,一般可以取值0.03-0.05；为小桥涵下河沟设计流量时的平均水深；
假定水流从涵洞出口至片石铺砌末端水头高度减少25％,则根据公式(5)可计算出片石铺砌所需要的长度L：
其中：A为片石铺砌处河沟的过水面积；其余参数意义与前面相同；
步骤六：计算片石铺砌末端冲刷坑深度Δ；
片石铺砌冲刷坑深度Δ包括水流冲刷深度Δ1、水跃冲刷深度Δ2和偏斜冲刷深度Δ3，其计算过程分别如公式(6)、公式(7)、公式(10)；
水流冲刷深度Δ1：
其中：B为片石铺砌处河沟平均宽度；v’为河床土壤的容许不冲刷流速，查阅相关表格可得；其余参数意义与前面相同；
水跃冲刷深度Δ2：
其中：KP为系数，与小桥涵八字墙扩散角度有关，查阅相关表格可得；C为出水口铺砌加固长度系数，铺砌越长，其系数越小，查阅相关表格可得；
σ为折冲系数，一般取1.35；h”为铺砌末端的跃后水深，V1为铺砌末端的水流速度，其余参数意义与前面相同；
偏斜冲刷深度Δ3：
其中：m为边坡系数；d为土壤粒径(m)；α为水流流向与河岸的交角，其余参数意义与前面相同；
则片石铺砌末端冲刷坑深度Δ可以由公式(11)计算可得：
Δ＝Δ1+Δ2+Δ3 公式(11)
步骤七：采取相应的构造措施。根据所铺砌片石的粒径大小，选择与之相匹配的粒径较小片石，填塞片石间空隙，提高片石之间的嵌挤力，以减小水流对片石和沟底土壤的冲刷。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (1)

1.一种低成本抗水毁的小桥涵出水口防护设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据公路小桥涵工程所处地理位置和项目等级，由目前已经的设计方法计算小桥涵设计洪水频率的设计流量QP、确定小桥涵的高h、小桥涵宽w、涵洞临界水深hk、洞身临界流速vk、洞身临界坡度ik参数；
步骤二：根据小桥涵跨越的河沟河床土壤类型，按照公式(1)和(2)计算河沟的一般冲刷深度hp；
非粘性土河床一般冲刷深度hp：
其中：QP为小桥涵设计洪水频率的设计流量；ε为小桥涵收缩收缩系数,当小桥涵为锥坡填土时取值0.9，当小桥涵有八字翼墙时取值0.85；w为小桥涵的宽度；hmax为小桥涵下河沟水流的最大深度，一般取桥涵高度h；为小桥涵下河沟设计流量时的平均水深，VH可查阅非粘性土壤水深为1m时的容许不冲刷流速表；
粘性土河床一般冲刷深度hp：
其中：IL为粘性土的液限指数；其余均与公式(1)的参数意义相同；
步骤三：根据计算所得的河床一般冲刷深度hp，选取小桥涵出口铺砌所需要的片石粒径大小(片石粒径d>1.5hp)；
步骤四：根据公式(3)计算涵洞出水口处的水头高度Hc：
其中：g为重力加速度值；其余参数意义与前面相同；
步骤五：计算小桥涵出水口铺砌所需的片石铺砌长度L；
由于河沟一般为宽浅式，其水力半径R可近似按小桥涵下河沟设计流量时的平均水深则谢才系数C可以按公式(4)计算：
其中：n为片石的粗糙系数,一般可以取值0.03-0.05；为小桥涵下河沟设计流量时的平均水深；
假定水流从涵洞出口至片石铺砌末端水头高度减少25％,则根据公式(5)可计算出片石铺砌所需要的长度L：
其中：A为片石铺砌处河沟的过水面积；其余参数意义与前面相同；
步骤六：计算片石铺砌末端冲刷坑深度Δ；
片石铺砌冲刷坑深度Δ包括水流冲刷深度Δ1、水跃冲刷深度Δ2和偏斜冲刷深度Δ3，其计算过程分别如公式(6)、公式(7)、公式(10)；
水流冲刷深度Δ1：
其中：B为片石铺砌处河沟平均宽度；v’为河床土壤的容许不冲刷流速，查阅相关表格可得；其余参数意义与前面相同；
水跃冲刷深度Δ2：
其中：KP为系数，与小桥涵八字墙扩散角度有关，查阅相关表格可得；C为出水口铺砌加固长度系数，铺砌越长，其系数越小，查阅相关表格可得；σ为折冲系数，一般取1.35；h”为铺砌末端的跃后水深，v1为铺砌末端的水流速度，其余参数意义与前面相同；
偏斜冲刷深度Δ3：
其中：m为边坡系数；d为土壤粒径(m)；α为水流流向与河岸的交角，其余参数意义与前面相同；
则片石铺砌末端冲刷坑深度Δ可以由公式(11)计算可得：
Δ＝Δ1+Δ2+Δ3 公式(11)
步骤七：采取相应的构造措施，根据所铺砌片石的粒径大小，选择与之相匹配的粒径较小片石，填塞片石间空隙，提高片石之间的嵌挤力，以减小水流对片石和沟底土壤的冲刷。
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